[发明专利]一种超短聚焦聚光光伏聚光镜

说明书

所属技术领域

本发明涉及到一种轻薄化的聚光光伏聚光镜，属于光学设计领域，同时也属于聚光光伏发电的能源利用领域。 

背景技术

能源问题已成为现代社会和经济发展的关键问题之一，太阳能因为其无污染、来源广、可再生等特点被越来越多的人所关注。光伏发电是太阳能主要利用形式之一，利用光电效应进行光电转换可以将太阳辐射能转化为电能。光伏发电可以分为平板光伏发电和聚光光伏发电，平板光伏发电是利用太阳能电池板直接进行发电；聚光光伏发电是通过聚光镜将一大束太阳光会聚到一小片太阳能电池上进行发电。可见聚光光伏发电可以减少电池片的使用面积，减低发电成本和电池对环境的污染，是光伏发电的发展趋势。 

聚光光伏组件主要由聚光模组、跟踪器和逆变器组成，聚光模组又由聚光镜、太阳能电池、框架以及散热器组成。目前最常见的聚光镜就是菲涅尔透镜和抛物面反射镜，属于点聚焦型的聚光镜，需要配合二级聚光镜使用。二级聚光镜的作用是增加聚光镜的容忍角，并提高电池片表面的能量均匀性。 

但是由于菲涅尔透镜的光学限制，聚光模组的深宽比，即模组的高度(聚光镜的焦距)和模组的口径(圆形聚光镜为透镜直径，方形聚光镜为透镜对角线)的比值均大于1。深宽比过大，导致聚光模组尺寸和质量增大，增加了运输和跟踪器的成本，所以聚光模组的轻薄化是聚光光伏的必然要求和发展趋势。自由曲面和超精密制造技术的发展为复杂的光学器件的加工提供了有力的工具，利用自由曲面设计的聚光镜可实现聚光镜轻薄化的目标。 

发明内容

本发明的目的是提供一种超短短聚焦聚光镜设计方法，本发明利用透镜阵列和自由曲面反射镜实现超短聚焦聚光镜的设计，将聚光模组的深宽比降低至0.2，甚至更小，实现聚光模组的轻薄化要求。本发明的技术方案如下： 

一种短聚焦聚光光伏聚光镜设计方法，所设计的聚光镜由三部分组成，透镜阵列、多个自由曲面反射镜单元，和太阳能电池，透镜阵列位于反射镜的上面，太阳能电池位于它们的侧面，光线依次经过透镜、反射镜后入射到太阳能电池上，深宽比低于0.2，透镜阵列由一系列透镜单元组成，每一个透镜单元对应一个自由曲面反射镜单元，其中一对透镜单元和自由反射镜单元的设计方法如下： 

1)透镜单元由两个表面组成，面型为非球面，分别定义为S₁和S₂；自由曲面反射镜由一个表面组成，面型为自由曲面，定义为S₃；太阳能电池的接收面的面型为平面，定义为S₄；需要求解的S₁、S₂和S₃，S₁、S₂和S₃均由离散点构成，对其求解的过程就是求解离散点坐标的过程；将入射光线束离散化处理，则每一条光线均与S₁、S₂、S₃和S₄相交，且在每一个面上的交点只有一个，求解S₁、S₂和S₃的过程最终转化成求解光线与S₁、S₂和S₃交点的过程； 

2)设其中一条光线为f，首先求解光线f与S₁和S₂的交点，设光线f分别与透镜单元的两个表面S₁和S₂分别交于P₁和P₂；